[发明专利]一种波浪滑翔器的内外环PID路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种波浪滑翔器路径跟踪控制方法，通过内环和外环两个PID控制，输出两个尾舵舵角，完成波浪滑翔器的路径跟踪控制。内环PID控制为：将波浪滑翔器当前位置距期望轨迹的侧边距作为偏差输入至PID航向控制器中，输出一个尾舵角度。外环PID控制为：罗盘回传的当前航向与期望航向的偏差输入至PID航向控制器中，同时内环控制输出（舵角）作为外环控制输入，输出一个尾舵角度。将两个尾舵角度共同作用到波浪滑翔器，完成波浪滑翔器对当前路径的跟踪。本发明提供的波浪滑翔器的路径跟踪控制方法具有控制方便，流程简单的优点，通过合理调节PID参数，使波浪滑翔器准确的完成路径跟踪。

技术领域

本发明涉及一种波浪滑翔器内外环PID的路径跟踪控制方法，特别涉及应用于波浪滑翔器运动控制领域。

背景技术

波浪滑翔器是一种新型的海洋移动观测平台，主要由浮体船、脐带缆、牵引机三部分组成。利用上述三部分组成的多刚体结构将波浪能转化为前向动力，利用太阳能电池板为波浪滑翔器导航、通讯和运动控制等提供能源供给，波浪滑翔器可实现长时间、大范围的海上自主航行。

波浪滑翔器模型的不确定性与非线性以及海洋环境的复杂多变使其路径跟踪控制变得尤为困难。为简化波浪滑翔器导航控制流程，降低导航控制模块运行功耗，本发明旨在提供一种简单易行的波浪滑翔器路径跟踪控制方法，简化波浪滑翔器导航算法，节省其导航控制系统资源。

发明内容

本发明提供一种新型路径跟踪控制方法，实现波浪滑翔器快速可靠路径跟踪控制。本发明所涉及的一种波浪滑翔器路径跟踪控制方法也可扩展到与波浪滑翔器结构类似的其他水面无人航行器上。

本发明的实现步骤如下：

步骤一：波浪滑翔器启动内外环PID路径跟踪控制方法，通过GPS实时定位给出波浪滑翔器当前位置(x,y)，控制系统计算当前位置(x,y)与期望轨迹的侧边距h。内环控制为将当前的侧边距h输入至PID航向控制器，输出尾舵角度δ₁，使波浪滑翔器垂直朝向期望路径P₁P₂移动。

步骤二：外环控制为：将目标点(x_k+1,y_k+1)输入到波浪滑翔器控制系统中，得到期望航向ψ_e，再通过罗盘读取当前航向ψ_c(即内环控制输出)，将罗盘回传的当前航向与期望航向的偏差ψ_b输入至PID航向控制器，输出尾舵角度δ₂，使波浪滑翔器快速朝向目标点(x_k+1,y_k+1)移动。

步骤三：得到内环尾舵角度δ₁和外环尾舵角度δ₂后，波浪滑翔器在舵角δ₁、δ₂的共同作用下，收敛至期望航向P₁P₂。

步骤四：判断波浪滑翔器是否完成当前目标路径的跟踪，如果未完成，重复步骤一、步骤二和步骤三直至路径跟踪到达目标点；如果完成则切换到下一条目标路径进行跟踪，直至完成所有的路径跟踪。

在波浪滑翔器目标路径跟踪控制过程中，期望航向的实时获取是保证波浪滑翔器路径导航控制的关键所在，因此，在满足波浪滑翔器导航控制精度前提下，快速有效获得波浪滑翔器期望航向角度，简化导航控制算法对提高波浪滑翔器控制鲁棒性和降低控制功耗具有重大作用。本发明的效果是：通过简单易行的PID航向控制输出尾舵角度，保证波浪滑翔器简单可靠完成复杂海况下多干扰并存的路径跟踪控制。内环和外环PID控制互不干扰，稳定输出尾舵角度，完成路径跟踪。

附图说明

图1是内外环PID的路径跟踪控制方法总体框图；

图2是内外环PID控制流程框图；

具体实施方式